CN100397233C - 掺杂环放大光纤和含此类光纤的放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种放大光纤(1)，包括单模芯(10)和环绕单模芯的多模芯(20)。多模芯包含称为“掺杂环”(21)的掺杂层和一定浓度的活性稀土离子以通过活性稀土离子对至少一种光信号进行放大，从而注入放大光纤。光纤的尺寸这样确定：其长度和拉曼效率的乘积大于或等于0.5W-1。此外，光纤表现出以dB/m表示的吸收系数来定义的吸收，这种吸收在一定波长表现出称为“最大吸收”的最大值，光纤表现出对应于最大吸收和长度乘积的累加吸收，它大于或等于100dB。本发明还提供包括这种光纤、单模泵浦和多模泵浦的放大器。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通信领域。更具体而言，本发明涉及掺杂环(doped-ring)放大光纤和含此类光纤的放大器。
背景技术
众所周知，通常用在长距离光链路以放大波分复用(WDM)信号的掺铒光纤放大器(EDFA)，其性能有待提高。
这种光纤是为了在尽可能宽的波段或在多个波段内如C波段(1530纳米(nm)到1565nm)或L波段(1565nm到1625nm)获得尽可能最高效的放大。
P.Bousselet等人的在Optical Amplifiers and Their ApplicationsConference，PD1，2001Technical Digest，Optical Society of American，pp.2-4，题为“30％power conversion efficiency from a ring-dopedall-silica octagonal Yb-free double-cald fiber for WDM applications inC-band”的文献公开了一种掺入了石英类放大光纤的EDFA放大器。更具体而言，该光纤具有下列结构：
-具有直径为7微米(μm)的中心区域的单模芯；
-多模芯，它是外径为44μm环绕中心区的中间区，多模芯包含被称为“掺杂环”的活性铒离子掺杂层；
-包层，它是外径为约150μm环绕中间区的外层区。
EDFA还包括功率为2.3瓦(W)的多模泵浦(pump)，以980nm的波长传输泵浦波，它通过单模光纤和波长多路复用器被耦合到放大光纤上。将C波段的多路复用光信号注入放大光纤以被放大。
由于所述掺铒环放大光纤具有更高的转换效率，因此所公开的EDFA具有比常规EDFAs更高的C波段增益。
本发明的目的是设计一种低成本的简约型(compacted)集成化光纤放大器，就效率、放大水平、信道数(扩展C波段和/或L波段或新的增益范围...)、放大信号质量(低噪声水平、对泵浦功率波动(variation)的低依赖性...)而言，其性能进一步提高了。
为达到这个目的，本发明设法制备一种能有效利用拉曼效应和铒离子等活性稀土离子如铒离子放大性能二者的混合放大器，放大器从两种放大技术的组合优点中获益。
首先重申本发明涉及的几个参数的定义。
第一种近似，光纤的拉曼效率Cr用下列方程定义：
Log(Pon/Poff)＝Cr·Pp·L
其中Log是自然对数，L是光纤长度，Pp是注入光纤中的拉曼泵浦波的功率，Pon是存在泵浦波的情况下光信号在光纤中传输后在光纤输出口的光功率，Poff是不存在泵浦波的情况下相同光信号在光纤中传输后在光纤输出口的光功率。
表示上述关系的另一种方法涉及拉曼“开/关(on/off)”增益、用下式估算以分贝(dB)表示的Gonoff，它应用于短距离放大器，并且其提供的拉曼泵浦衰减很弱(低于2分贝/千米(dB/km))：
Gonoff＝10log(Pon/Poff)＝4.34Cr·Pp·L
其中log是以10为底的对数。
拉曼效率Cr用每瓦每千米(W-1km-1)表示，例如在0.5W-1km-1到5W-1km-1范围内。
此外，光纤中存在活性稀土离子意味着光纤吸收在其中传输的光信号。如果注入适当的泵浦波，光纤还是受激发射的场所，发射和吸收之间的差值构成掺杂光纤的增益。这种吸收用以分贝/米(dB/m)表示的吸收系数来定义，它代表称为最大吸收的信号波长函数的最大值，该最大吸收也用dB/m表示并定义为吸收峰。吸收峰从与发射最大值对应的波长得到，例如对铒而言为1530nm。
发明内容
因此，本发明提供一种掺杂环放大光纤，其包括：
-给定直径的单模芯；和
-环绕单模芯的多模芯，其包含称为“掺杂环”的掺杂层并含有一定浓度的活性稀土离子，因为活性稀土离子的存在该光纤适合放大注入放大光纤的光信号；
光纤的特征为，它具有一定的长度和拉曼效率，其中所述拉曼效率与所述长度的乘积大于或等于0.5W-1，并且，由于活性稀土离子的存在所述光纤吸收被注入的光信号，所述吸收用以dB/m表示、代表所述信号波长函数的最大值的吸收系数来定义，该最大值被称为最大吸收，所述光纤表现出累加吸收，它对应于所述最大吸收和所述长度的乘积，大于或等于100dB。
对于给定的拉曼效率，本发明相当于，在有限的拉曼泵浦功率和所需稀土离子放大增益水平适合的累加吸收下，选择足够大的波长以获得明显的拉曼增益。累加吸收条件也隐含给出了对光纤长度的限定值以使得允许稀土离子增益存在，应当明白，如果光纤的长度超出确定的范围这种增益会逐渐减少然后消失。
因此，最大吸收、光纤长度和拉曼系数是相互关联的参数，要审慎地选择它们使两种类型的放大都有效。
适宜地，至少所选光纤长度足够短，以确保通过活性稀土离子的放大所提供的增益不低于1dB。自然地，优选选择提供更高增益的长度，应当理解，例如通过提供充足的铒泵浦功率在该条件下铒离子放大可以获得约60dB的增益。
两种类型的增益是累积的，当它们作用于同一波长范围时二者可以相加，或它们能使光信号在两种截然不同的范围内被放大而不会重叠(overlap)。
例如，拉曼增益可以相当于至少10％铒增益。
在1530nm约100dB的累加吸收，可以例如获得在C波段约20dB的铒放大。
此外，为获得2dB的拉曼增益，例如用1W泵浦，必须具有约1km长的最低效光纤和100m长的最高效光纤。自然地，无需增大泵浦功率，长度越长就能获得更高的拉曼增益。
在本发明的第一实施方式中，光纤长度大于或等于100m，最大吸收小于或等于1dB/m。
调节长度，更确切地说，相对于现有技术掺杂环放大光纤，增加长度以有利于拉曼效应。相反地，调节最大吸收，更确切地说，相对于现有技术掺杂环放大光纤降低最大吸收。
但是，既然本发明的拉曼放大是指在放大器中较短长度的放大光纤的拉曼效应，因此它是离散(discrete)的。这种放大不同于通常称为“分布式”的那种拉曼放大，即直接从线光纤(line fiber)得到的在更长放大长度实施的拉曼效应。
优选地，拉曼效率可以大于或等于3W-1km-1以获得相对较短的光纤。
根据一种特性，掺杂环的内径可以大于1.5nm以将最大吸收调至所需范围内。
根据另一种特性，活性稀土离子的浓度选自小于或等于1000百万分比(ppm)，当稀土离子是铒离子时浓度小于或等于300ppm，在这些浓度范围内也可以将最大吸收调至所需范围内。
活性稀土离子的浓度低于现有技术掺杂环放大光纤通常采用的浓度。
活性稀土离子浓度的选择取决于所选择的稀土和掺杂环的位置。例如，如果选择镱，活性稀土离子的最大可接受浓度就大于铒的。此外，该浓度还取决于选择的长度：长度越长，浓度越小。
而且，单模芯和多模芯二者选择的折射率也有影响。更具体而言，单模芯具有至少第一折射率，多模芯具有至少第二折射率，第一折射率和第二折射率的差值优选大于或等于0.01。此外，单模芯的直径选自3μm-5μm。
足够大的折射率差值和较小的芯直径有利于增强中心芯的单模特性，从而更好地吸持(confinement)注入光纤中多路复用信号和拉曼泵浦波的基模，从而增加拉曼效率。
在一个优选实施方式中，单模芯是基于石英或氟化物玻璃并掺杂有选自磷、锗、碲、铝和硼的掺杂剂。这些掺杂剂有利于获得高拉曼效率。
在一个优选实施方式中，稀土掺杂环是基于石英或氟化物玻璃，掺杂有选自下列化合物的附加掺杂剂：Li2O、Na2O、K2O、Rb2O、Cs2O、BeO、MgO、CaO、SrO和BaO。这些附加掺杂剂通过稀土离子增加了放大作用。
当该环由氟化物玻璃制成时，活性稀土离子优选铥离子。
自然地，本发明还提供一种放大光信号的放大器，该放大器包括：
-掺杂环放大光纤；和
-耦合到所述光纤的多模泵浦通过活性稀土离子进行放大，
放大器的特征为放大光纤如上述定义，以及它包括，除所述通过活性稀土离子的放大外，至少一个耦合到放大光纤的单模泵浦以进行拉曼放大。
在一个优选实施方式中，可以选择单模泵浦的波长以扩展从活性稀土离子获得增益的频谱。
在另一个优选实施方式中，单模泵浦的波长选自其增益从活性稀土离子获得的波长范围内。这样，单模泵浦的波长获益于通过活性稀土离子的放大，例如，对于铒它可以选自约1560nm。拉曼泵浦的这种放大补偿了它的能量损失并使拉曼增益增加。
取决于构造的不同，拉曼增益在与从稀土离子获得增益范围具有相同区域的波长范围，或者在从稀土离子获得的增益范围之外。例如，伴随着铒在C波段的放大，拉曼增益可以在约1600nm发生。
自然地，在这个最后提到的构造中，如果表现出放大范围内波长的光信号也被注入光纤中，那么单模泵浦的波长选自位于这些信道的两两之间。
附图说明
通过下文中的不限制举例说明并参照附图描述，将更清楚地展现本发明的特点和优点，其中：
图1是本发明一个优选实施方式中的WDM光信号放大器的图解；
图2示出了现有技术EDFA和图1放大器的作为波长函数的增益分布；
图3a是图1放大光纤的部分纵向和透视图；和
图3b示出了光纤单模芯和多模芯的折射率分布，它是距光纤中心的距离x的函数。
具体实施方式
图1是本发明一个优选实施方式的图解，显示用于放大WDM光信号su的放大器100，例如在从1500nm扩展到1565nm的扩展C波段。
根据本发明，放大器包括含活性稀土离子掺杂环的放大光纤1，其中优选铒离子。具有下列详述结构的放大光纤1具备单模芯和多模芯，它在玻璃基质中并优选基于石英。它足够长以确保有效的离散型拉曼放大。
放大器100还包括：
-用于铒放大的多模泵浦2，其功率为1W到10W，传输波长为980nm的第一泵浦波sp；和
-用于拉曼放大的单模泵浦3，功率约为100毫瓦(mW)到5W，例如传输波长为1428nm的第二泵浦波s’p，以在C波段的开始获得拉曼放大。
多模泵浦2被耦合到其本身被耦合到光纤1输入口附近的多模光纤4上。此外，单模泵浦3被耦合到其本身被耦合到光纤1输出口附近的单模光纤4’上。
在放大光纤1中，信号su和第一泵浦波sp是同向传播(co-propagating)的(沿轴的X方向)，然而第二泵浦波s’p是反向传播的(contra-propagating)(沿轴的相反方向X’)。
此外，信号su和第二泵浦波s’p在单模芯制导(guided)。
由于只有一根放大光纤用于两种放大技术，因此放大器100是简缩的。放大器100在拉曼泵浦功率方面还是经济的。
图2中，曲线a和b分别示出对于配有与泵浦2类似的多模泵浦的常规掺杂环EDFA和放大器100，相对于其波长的增益分布。
放大器100的增益显然大于1500nm到1600nm的范围，通过选择单模泵浦的波长为1428nm，它还能使光信号在更宽的波长范围内被放大。
图3a是放大光纤1的部分纵向和透视图。图3a是粗略的图解，并不是按比例的绘图。
放大光纤1是圆柱形几何体，其包括：
-小直径d1优选为3μm并具有第一折射率n1的单模芯10；
-环绕单模芯10的多模芯20，具有随外径d2例如为约30μm变化的第二折射率n2；和
-环绕多模芯的包层30，其外径为150μm到200μm并具有第三折射率ng，其中n 1＞n2≥ng
提高了从石英获得的常规拉曼增益的单模芯10，包含锗掺杂剂5。
拉曼效率为约4W-1km-1。
多模芯20包含掺杂有浓度为c1铒离子6的“环”层21。基本为环形圆周的该层具有内径ri和外径re。
调节环的位置和浓度使得能获得小于1dB/m的最大吸收。
优选地，光纤长度为500m，最大吸收为0.2dB/m，累加吸收为100dB。
因此，浓度c1低于300ppm并优选约100ppm用于拉曼放大。由于掺杂环中铒6的贡献，铒放大的转化效率较高。
此外，内径ri为约4.25μm，外径re为约6.5μm。
图3b中，曲线c表示作为距光纤中心的距离x的函数的第一折射率n1和第二折射率n2的分布(以微米计)。
更具体而言，纵坐标对应于n-ng：第一折射率n1和第三折射率ng之间的差值与第二折射率n2和第三折射率ng之间的差值。
直径d1、d2和掺杂环的内径ri、外径re在曲线C中作为参考。
第二折射率n2在多模芯的内外层之间变小。更具体而言，第二折射率n2向外至6μm基本保持不变，然后减小直到15μm。第一折射率n1和第二折射率n2的差值总是大于0.01。
当然，本发明不局限于上述实施方式。
在一个变化方案中，单模芯10中包含取代(或连同)锗掺杂剂的磷掺杂剂以增加拉曼增益，特别是在C波段的底边缘(bottommargin)。在这个变化方案中，所选拉曼泵浦的波长为约1305nm。
在另一个变化方案中，拉曼泵浦的波长不仅不同于任一用于放大的光信号的波长，而且还要选在通过活性稀土离子获得的增益范围内以放大拉曼单模泵浦波。
光纤的横截面可为圆柱形、基本多边形或多叶形几何体的多模芯，从而能更好地通过稀土掺杂环吸收光功率。
本发明还适用于L波段或其它任一波段。
该光纤还可以在氟化物玻璃的基础上制备。
掺杂铒环可以包含选自下列的附加掺杂剂：Li2O、Na2O、K2O、Rb2O、Cs2O、BeO、MgO、CaO、SrO和BaO。
最后，在不超出本发明范围的情况下，可以用类似的方式代替上述方式。
Claims (14)
1.一种掺杂环放大光纤(1)，包括：
给定直径(d1)的单模芯(10)；和
环绕单模芯的多模芯(20)，其包含称为“掺杂环”的掺杂层(21)，并含有一定浓度(c1)活性稀土离子(6)，因为活性稀土离子的存在该光纤适合放大注入放大光纤的光信号(su)；
该光纤的特征在于，它具有一定的长度和拉曼效率，其中所述拉曼效率与所述长度的乘积大于或等于0.5W-1，还在于，由于活性稀土离子的存在所述光纤吸收被注入的光信号(su)，所述吸收以dB/m表示的吸收系数来定义，代表所述信号的波长函数的最大值，该值被称为最大吸收，所述光纤表现出对应于所述最大吸收和所述长度乘积的累加吸收，它大于或等于100dB。
2.根据权利要求1的放大光纤(1)，其特征在于所述长度足够短，以用于通过所述活性稀土离子的所述放大，使得增益不低于1dB。
3.根据权利要求1或2的放大光纤(1)，其特征在于最大吸收小于或等于1dB/m，长度大于或等于100m。
4.根据权利要求1或2的放大光纤(1)，其特征在于拉曼效率大于或等于3W-1km-1。
5.根据权利要求1或2的放大光纤(1)，其特征在于所述掺杂环的内径(ri)大于1.5μm。
6.根据权利要求1或2的放大光纤(1)，其特征在于活性稀土离子的浓度(c1)小于或等于1000ppm。
7.根据权利要求1或2的放大光纤(1)，其特征在于当活性稀土离子(6)为铒离子时，活性稀土离子的浓度小于或等于300ppm。
8.根据权利要求1或2的放大光纤(1)，其特征在于单模芯(10)至少具有第一折射率(n1)，多模芯(20)至少具有第二折射率(n2)，第一折射率(n1)和第二折射率(n2)的差值大于或等于0.01。
9.根据权利要求1或2的放大光纤(1)，其特征在于单模芯(10)的直径(d1)选自3μm到5μm。
10.根据权利要求1或2的放大光纤(1)，其特征在于单模芯(10)基于石英或氟化物玻璃并掺杂有选自磷、锗、碲、铝和硼的掺杂剂。
11.根据权利要求1或2的放大光纤(1)，其特征在于稀土掺杂环基于石英或氟化物玻璃并掺杂有选自下列化合物的附加掺杂剂：Li2O、Na2O、K2O、Rb2O、Cs2O、BeO、MgO、CaO、SrO和BaO。
12.一种用于放大光信号(su)的放大器(100)，包括：
掺杂环放大光纤(1)；和
耦合到所述光纤的多模泵浦(2)，通过活性稀土离子进行放大，
放大器的特征在于放大光纤由权利要求1-10的任一项来定义，并且放大器包括，除通过活性稀土离子的所述放大外，至少一个被耦合到放大光纤的单模泵浦(3)以进行拉曼放大。
13.根据权利要求12的放大器(100)，其特征在于选择单模泵浦(3)的波长以扩展从活性稀土离子得到的增益频谱。
14.根据权利要求12的放大器，其特征在于单模泵浦的波长选自其增益是从活性稀土离子中获得的波长范围。
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